北京谱仪（英文名：Beijing Spectrometer，BES），是指安置在北京正负电子对撞机（BEPC）储存环对撞点上探测正负电子对撞后产生的各种粒子的大型通用磁谱仪探测器。北京谱仪Ⅲ实验国际合作组由来自中国、美国、俄罗斯、德国、英国、意大利、荷兰、瑞典等17个国家的83个大学和研究所的500多位物理学家组成。
北京谱仪长6m，宽、高各7m，重480t，由中心漂移室、主漂移室、飞行时间探测器、簇射探测器（电磁量能器）、μ子计数器、亮度监测器以及螺线管线圈、四氧化三铁等组成。北京谱仪能量覆盖范围为2～5吉电子伏，运行在粲夸克偶素、粲夸克和τ轻子能区。正负电子对撞湮灭后，通过强作用衰变的大多数强子在10^‑23s之内就衰变完。北京谱仪是用多种粒子探测器的组合，来观察和测量正负电子对撞后产生的次级粒子的能量、动量、质量、位置、出射角等各种参数，以重建反应过程。双环对撞机中的正负电子束团在谱仪中心对撞，产生次级粒子的全部信息由谱仪实时记录下来，经过数据处理后进行陶粲能区的物理研究。
1984年10月7日，BEPC工程破土动工，同时与之配套的高能物理实验探测器北京谱仪开始建造。1988年10月16日，BEPC实现首次对撞。1991年5月，北京谱仪国际合作组正式成立。2008年，第三代北京谱仪（BESⅢ）建造完成并投入运行。2013年，BESⅢ在采集的数据中发现一个新的共振结构，命名为Zc（3900）。2014年，BESⅢ首次在粲重子对阈值上获取了世界上最大的近阈粲重子Λc衰变样本。2026年5月，BEPCⅡ运行取得重要进展，在2.35 GeV束流能量下，峰值对撞亮度达到升级工程设计指标，峰值亮度和积分亮度均较升级前提升3倍以上。
定义
北京谱仪（英文名：Beijing Spectrometer，BES），是指安置在北京正负电子对撞机（BEPC）储存环对撞点上探测正负电子对撞后产生的各种粒子的大型通用磁谱仪探测器。
历史沿革
1988年10月建成，正负电子的束流能量范围为1.5～2.8吉电子伏特，相应的质心能量可以覆盖3.0～5.6吉电子伏。北京谱仪（BES）的主要物理目标是研究粲和轻子物理。第一代北京谱仪（BESⅠ）运行时间在1989年到1995年；为了提高北京正负电子对撞机（BEPC）的对撞亮度和BES的探测性能，从1995年夏到1997年底，实施了升级改进，BEPC对撞亮度提高了2.5倍，在此基础上第二代北京谱仪（BESⅡ）运行在1998年到2004年。利用BESⅠ和BESⅡ获取的实验数据，北京谱仪国际合作组取得了一批重要的物理成果，比如τ轻子质量的精确测量和2～5吉电子伏特R值精确测量等结果解决了当时国际高能物理关注的轻子普适性和希格斯粒子质量下限等疑难问题。此外，在粲偶素物理、粲介子及其轻子衰变和强子子谱学等领域也都作出了国际领先结果，比如发现正反质子阈值增长效应和X（1835）共振态等。
2003年2月，国家批准对BEPC/BES进行重大改造，将对撞亮度由原来的10³¹/（厘米²・秒）提高到10³³/（厘米²・秒）（亮度提高100倍），把改造后的对撞机和探测器称为BEPCⅡ／BESⅢ。2008年7月，完成了建造、安装和调试，2009年4月，BESⅢ（见附图）开始获取物理数据。BESⅢ实验已经在该能区获取了大量实验数据，取得大批物理成果。实验对检验强相互作用机制起到重要作用，特别是寻找新型强子谱、强子产生及其相互作用机制有深远意义。在阈值附近产生的正反超子对，粲介子和粲重子对的量子关联效应，对于理解强子产生和衰变机制有独特之处。比如BESⅢ实验确认了正反质子阈值增长效应和X（1835）共振态，发现含正反粲夸克带电荷结构Zc（3900）、首次开展粲重子Λc绝对分支比的测量、开展超子的极化和CP破坏测量等。
2009年，第二代北京正负电子对撞机开始运行以来，在其上工作的BES川探测器已经积累了大量实验数据，获取了一系列重要成果，BESl川实验国际合作组已经发表近500篇实验论文，在强子物理和粲能区标准模型的精确检验等领域已经领先世界。
2026年5月，北京正负电子对撞机（BEPCII）运行取得重要进展。在2.35 GeV束流能量下，峰值对撞亮度达到升级工程设计指标，峰值亮度和积分亮度均较升级前提升3倍以上，成功完成核心性能跨越式升级。此次性能突破为北京谱仪Ⅲ（BESⅢ）开辟了全新实验窗口，提供了更高精度的数据支撑。
工作原理
正负电子对撞湮灭后，通过强作用衰变的大多数强子在10^‑23s之内就衰变完。在这段时间内，它们仅仅从碰撞点飞出10^‑13cm。电磁衰变的强子通过的距离一般小于10^‑6cm。大多数弱衰变的粒子，可穿过几厘米的距离。实际上探测器离作用点的距离最近也得几个厘米，所以没有可能探测到强作用和电磁作用衰变前的粒子。实验物理学工作者只能通过对末态粒子的探测和分析来研究基本粒子之间的相互作用及规律。
北京谱仪III（BESⅢ）是北京正负电子对撞机（BEPCII）上的大型通用磁谱仪，总长11米，宽6.5米，高9米，总重约800吨。BESⅢ就像BEPCII的“眼睛”，是用多种粒子探测器的组合，来观察和测量正负电子对撞后产生的次级粒子的能量、动量、质量、位置、出射角等各种参数，以重建反应过程，研究基本的物理规律。BESⅢ由主漂移室、飞行时间计数器、电磁量能器、μ子计数器、超导磁铁和相应的电子学、触发、数据采集工具等系统组成。双环对撞机中的正负电子束团在谱仪中心对撞，产生次级粒子的全部信息由谱仪实时记录下来，经过数据处理后进行陶粲能区的物理研究。
BESⅢ实验国际合作组由来自中国、美国、俄罗斯、德国、英国、意大利、荷兰、瑞典、波兰、蒙古国、巴基斯坦、印度、日本、韩国、泰国、土耳其和智利等17个国家的83个大学和研究所的500多位物理学家组成。BESⅢ探测器由束流管、内漂移室、外漂移室、飞行时间计数器、电磁量能器、螺线管超导磁铁、μ子计数器和小角度亮度探测器及其电子学读出组成，是大型粒子探测装置。此外还包括数据采集工具系统、电子学系统、离线软件分析系统等。
结构组成
北京谱仪长6m，宽、高各7m，重480t。由中心漂移室、主漂移室、飞行时间探测器、簇射探测器（电磁量能器）、μ子计数器、亮度监测器以及螺线管线圈、磁铁等组成。谱仪还包括触发系统、电子学系统、数据获取在线系统和离线分析系统。
中心漂移室
顶点室位于最内层，处于束流管和主漂移室之间。
（1）结构
顶点室的有效长度为84cm，束流管兼作其内壁。束流管的直径为10.033cm，中央40cm为1.27mm壁厚的铍管。外筒用碳素纤维制成，壁厚2mm，直径为27.08cm。整个顶点室包含640根正比计数管。每一根正比计数管的直径为8mm，用100μm厚的镀铝聚酯薄膜制成，阳极丝为50μm直径的镀金钨丝。
正比计数管的排列为，内4层为轴向层，它们平行于束流管的轴，每1层40根管子。5～8层为倾斜层，每层40根管子，与束流管轴的夹角从3.002°至3.563°，随层而异。外4层为轴向层，每层80根管子。倾斜层用来确定粒子径迹的轴向位置，它的定位精度好于电荷分配法。
（2）作用
顶点室的主要作用是与主漂移室配合，测量带电粒子的径迹，确定动量；重建粒子衰变的顶点；与飞行时间计数器配合，做触发判选，尽可能地排除本底。
主漂移室
主漂移室为一大型精密圆柱形漂移室，位于中心漂移室和飞行时间计数器之间。
（1）结构
主漂移室的内圆筒由壁厚为2mm的碳素纤维制成，直径为31cm。外筒为一大铝筒，厚1cm、直径为2.3m、长3.38m，漂移室的有效长度为2.12m，2块铝端板厚4cm。丝的分布沿径向分为10层，包括5层轴向丝和5层斜丝，斜丝的信息用来计算带电粒子穿过的轴向坐标。层的厚度分别是内3层为5cm、外7层为7cm，层间距离大多为3cm。每层的漂移单元数从48到128不等。总的单元数为804。每个单元内有4根信号丝，为解决粒子径迹的左右分辨问题，信号丝不在同一条半径上，依次左右错开350μm。信号丝总数为3216根。如果考虑形成均匀电场的各种辅助丝，总丝数为22936根。信号丝为直径30μm的镀金钨丝，辅助丝为粗的铍铜丝。
（2）作用
测量带电粒子在磁场中的偏转径迹，确定粒子的动量；测量带电粒子在气体中的能量损失‑dE/dX，鉴别粒子的种类；前4层兼作触发判选用。
飞行时间计数器
飞行时间计数器位于主漂移室与簇射计数器之间，分为桶部和端盖两部分。
（1）结构
飞行时间计数器的桶部由的闪烁计数器构成，共48块，固定在主漂移室的外筒上。闪烁体为BC408塑料闪烁体，长2.84m、宽15.6cm、厚5cm，因比较长，在其外面直接包一层黑纸，以防止漫反射光的产生，只保留直接传播和全反射的光成分，从而得到较好的时间特性。在黑纸的外面裹两层黑塑料胶带以蔽光。桶部使用新型的防磁、透紫外光的光电倍增管R2490‑05，共96只。端盖由闪烁计数器构成，每一端24块。闪烁体为NE102A。因比较短，故在它的外面先包一层铝箔反光层，然后再裹两层黑塑料胶带以蔽光。
（2）作用
测量带电粒子从对撞点到闪烁计数器之间的飞行时间，由此来辨认粒子的种类；设置时间窗，排除宇宙线本底；做触发判选，决定事例的取舍。
簇射计数器
簇射计数器分为桶部和端盖两部分。桶部簇射计数器位于飞行时间计数器和磁铁线圈之间。
（1）结构
簇射计数器的结构如图7‑53所示，桶部的内径为2.47m、外径为3.38m，有效长度为3.85m。用铅作簇射介质，铅板厚2.8mm。为了加固，在铅板的两个表面胶以0.6mm厚的铝板，并等距离地铆装5根加强筋。共24层，每一层由高度为13mm的铝质工字梁间隔为560个单元，共13440个单元。端盖的内直径为65cm、外直径为2.1m，厚度为41cm，共24层，相间的铅板厚度为2.8mm，用14mm×14mm的铝方管作单元，两端盖共8976根管子。在每个单元的中心拉一阳极丝，桶部用50μm、端盖用37μm直径的不锈钢丝。不锈钢丝的电阻率较大，有利于电荷分配法定位。
（2）作用
确定高能电子或高能γ光子的能量和空间方位；有效地将高能电子或高能γ光子与强子或μ子相区分。
μ子计数器
μ子计数器处于北京谱仪的外层，呈八边形包围内层各探测器。
（1）结构
八边形的μ子计数器由3层计数管组件和3层轭铁构成。轭铁既是磁通量的回路又是北京谱仪的骨架，在这里又作为μ子的吸收体。计数管的总数为1512根。第1层组件的长度为4.2m，第2、3层均为4.6m，每一组件由两排计数管构成，相互错开半个管距，以解决μ子径迹测量的左右分辨问题。管子的截面为60mm×50mm。阳极丝为直径48μm的不锈钢丝。
（2）作用
鉴别μ子，确定μ子径迹的位置；与内层探测器一起测量μ子的动量。
触发判选系统
北京正负电子对撞机的正、负电子束团（约5cm长）每800ns对撞1次，每秒对撞1.25×10^6次，产生的具有物理意义的好事例每秒只有约25次。但与此同时，却存在着大量的本底。其中宇宙线本底每秒约为2000～3000次，束流与管道残余气体（束流管道内的真空度为10^‑7～10^‑8Pa）碰撞所产生的本底每秒约为1～10^5次。此外，还有同步辐射本底和正、负电子从束团中逃逸所产生的本底等。
在实验中，为了排除如此大量的本底，必须采用一定的电子线路——触发判选系统，使得只有在事先规定好的某种类型的信号出现时，测量仪器才开始动作。例如，计算表明，正、负电子对撞后所产生的次级粒子击中飞行时间计数器并从光电倍增管输出电信号所需要的时间约为30ns。如果在每次对撞后通过触发使飞行时间计数器开一个30ns的时间窗，就可以把宇宙线本底排除96%。另外，好事例总是在对撞点产生的，而束流与残余气体分子碰撞所产生的本底绝大部分不会发生在对撞点，并且其能量也比好事例低得多。根据这种差异，可以非常有效地将此类本底的99.9%排除掉。
在线数据分析系统
在探测器和其他实验设备运行期间由计算机实现数据采集工具和数据分析的系统称为在线数据分析系统。其任务在于控制系统运行、采集实验数据、监视仪器状态和数据的在线分析。北京谱仪的在线数据分析系统由一台CPU能力为100mips的ALPHA‑3600s计算机作为上位机，其操作系统为OPEN/VMS，它的主要任务是完成在线数据获取系统的调度，控制整个在线数据获取系统的运行，其前端机由上位机通过网络发送命令进行控制。
ALPHA‑3600s计算机配有96Mb内存，硬盘容量为2×1Gb+4Gb，一台X‑终端（DEC2000+）用于人机对话、状态显示和各种错误信息显示的窗口，以及刻度图形显示。两台TEK‑400系列彩色屏幕终端供在线事例、直方图和亮度图形显示使用。前端部分是一套VME‑CAMAC‑FASTbus混合系统，除顶点室子系统是利用FASTbus标准外，其他子系统都采用VME‑CAMAC‑BranchDriver结构，利用VME的分布智能和并行处理能力，实现对各CAMAC分支及FB分支的驱动和高速数据通信。在VME机箱中建立多个智能化的CAMAC分支驱动器。32个CAMAC机箱内插有大量的电子学插件。例如，抽样保持、智能模数转换器、时间数字转换器、校正系统、控制插件、触发判选插件和机箱控制器等。各探测器的信号，包括模拟信号和时间信号，通过20672道电子学线路送至CAMAC系统，实现模拟量和数字量、时间量和数字量的转换。然后，计算机按规定的格式将这些实验数据记入到盒式录音磁带中。
在实验进行过程中，通过快速的在线数据分析，能够随时了解实验数据质量的好坏。如果发现异常，立即予以处理，以免浪费机时。
离线数据分析系统
离线数据分析系统的任务是将北京谱仪产生的、由在线数据采集工具系统记录下来的数字信号在离线计算机上还原为粒子的种类、能量、动量等物理量，为物理学工作者做进一步的分析提供条件。
如下图为离线分析系统的数据流程图：过程1代表北京谱仪的各探测器及在线数据获取系统，它提供原始数据①。过程2为快速的事例过滤，过滤掉明显的非物理事例，产生过滤数据②。过程3为离线刻度，通过某一类型的物理事例计算出谱仪工作状态的刻度常数③。过程4为事例重建，它利用刻度常数对全部过滤数据进行处理，得到二次过滤数据④，它把原始数据还原为粒子的种类、能量和动量，并给出事例类型的判断。过程5为事例分类，将不同类型的事例写入不同的磁盘文件或盒式录音磁带，形成分类数据⑤。过程6为物理分析，即对某一类数据进行物理分析并给出物理结果⑥。过程7为蒙特卡罗模拟，它产生格式与真实的原始数据相同的模拟原始数据⑦，并与真实的原始数据一样，进行过程4‑6的处理。模拟研究可以设计得很全面、很周密，用这种方法模拟各种随机的物理过程的结果可以比较完全地反映这些物理量的统计性质，在粒子物理学的研究中这种方法被广泛使用。
探测成果
1989年5月15日，北京谱仪首次记录到大角度巴巴事例和双μ事例。
1989年6月22日，北京谱仪首次测量到J/ψ共振峰，正式开始物理研究。
1992年，BES实验对τ轻子质量的测量，修正了以前的实验结果7兆电子伏，并将测量精度改善了10倍，精确验证了轻子普适性。至今仍是世界上最精确的测量之一，BESⅢ实验将进一步提高测量精度至100keV水平，比之前再提高5倍。1995年，该项成果获度国家自然科学二等奖。
1993‑1995年，BES实验采集了当时世界上最大的含400万ψ（2S）事例的数据样本，系统研究了粲偶素的性质，发现大量新衰变模式，完成了21项国际首次测量，观察到J/ψ和ψ（2S）强子衰变中的反常现象等新现象和新规律。结果使粲偶素物理的数据面貌得到明显改观，广泛应用于检验与发展强相互作用理论，向当时的理论认识提出了挑战，奠定了我国在该领域的国际领先地位。2010年，该项成果获得年度国家自然科学二等奖。
1997年，Dₛ介子推的纯轻子衰变成果获度中国科学院自然科学一等奖。BES实验在4.03GeV采集了当时世界上最大的Dₛ数据样本，首次观测到Dₛ介子的纯轻子衰变并测量了其衰变常数；利用双标记和单标记对比的方法，首次测量了Dₛ衰变的绝对分支比，并进行了大量其他测量，在粲物理实验研究上取得了重要成果。
2001年，BESⅡ实验在2‑5GeV能区测量了R值，将其精度由原来的15%改善到6.6%，是当时国际高能物理高精度测量前沿的重要成果之一。由此导致对希格斯粒子的质量预期由原来的62GeV变为102GeV，缓解了与直接实验寻找之间的矛盾。2004年，该项成果获度国家自然科学二等奖。
2010年，ψ（3770）的DD‑bar非衰变成果获度国家自然科学二等奖。BESⅡ首次发现了ψ（3770）的DD‑bar非衰变（ψ（3770）相关成果）：BESⅡ首次发现了ψ（3770）的DD‑bar非衰变，ψ（3770）→J/ψπ⁺π⁻，揭示了粲介子对阈上粒子可以通过强作用衰变到J/ψπ⁺π⁻物理规律，打破了粲介子对阈上粒子几乎100%衰变到粲介子对的传统认识，对于理解粲偶素及其衰变性质具有重要意义。
2013年，BESⅢ实验发现质子‑反质子质量阈值增长结构X（1860）和X（1835）等新粒子成果获度国家自然科学二等奖。基于当时世界上最大的5800万J/ψ事例样本，BESⅡ发现了质子‑反质子质量阈值增长结构X（1860）和X（1835）等新粒子。这是首次在以中国科学家为主进行的实验中发现的新粒子，在国际上引起了强烈反响，国际权威《粒子数据手册》首次收录X（1835）等新粒子。这些新粒子可能来自于超出夸克模型的多夸克态等新型强子。BESⅢ实验确认了X（1835）的存在，并发现两个新的共振态X（2120）和X（2370）。
2013年，BESⅢ在采集的数据中发现一个新的共振结构，命名为Zc（3900）。它含有一对粲夸克和反粲夸克且带有电荷，提示其中至少含有四个夸克，可能是科学家长期寻找的一种奇特态粒子。论文被PhysicalReviewLetters编辑推荐，并配发题为“新粒子暗示存在四夸克物质”的评论；Nature杂志发表题为“夸克‘四重奏’打开物质世界新大门”的报道。在美国Physics杂志公布的2013年物理学领域十一项重要成果中，“发现四夸克物质”位列榜首。入选科技部主办及多家学术期刊协办的2013年度“中国科学十大进展”和中国科学院“十二五”25项重大科技成果及标志性进展。随后，北京谱仪实验确定了其同位旋、自旋、宇称等量子数，发现了该粒子的其他多种衰变模式，并发现了其高质量伴随态Zc（4020）。
2014年，BESⅢ首次在粲重子对阈值上获取了世界上最大的近阈粲重子Λc衰变样本，首次测定了多个强子衰变和半轻子衰变的绝对分支比。《CERN快报》（CERNCourier）对此刊文报道：BESⅢ首次使用近阈数据开展了粲重子Λc衰变的直接测量。BESⅢ同时在ψ（3770）和ψ（4160）峰上采集了世界上最大的近阈粲介子样本，精确测定了D和Dₛ介子的衰变常数、半轻子衰变形状因子、夸克混合矩阵元|Vcd|和|Vcs|等。这些结果为检验夸克混合矩阵的幺正性、检验和刻度格点量子色动力学的计算、检验弱衰变中的轻子普适性提供了重要数据。
2016年，BESⅢ在利用高统计量J/ψ数据对X（1835）谱形的精细研究中，在η'π⁺π⁻变质量谱质子‑反质子质量阈值附近发现了显著的反常结构，建立了X（1835）和pp‑bar质量阈值结构的联系。X（1835）谱形的反常结构可以用一个质量在1.85GeV并且与pp‑bar有很强耦合的宽共振态描述，也可以用接近pp‑bar质量阈值的一个相干的窄共振态描述，为质子‑反质子分子态或者质子‑反质子束缚态的存在提供了重要的实验证据。
2016年，基于高统计量数据，BESⅢ利用初态辐射事例测量的π的形状因子，得到其对缪子反常磁矩的强子真空极化领头阶贡献，结果支持缪子反常磁矩的标准模型预期与其直接实验观测值存在3倍标准差以上的偏离。BESⅢ也在重子的电磁形状因子测量方面进行了大量研究，发现了正反质子对、正反兰布达等重子对阈附近的反常行为，为理解重子结构和强相互作用提供了关键数据。
2017年，BESⅢ实验在e⁺e⁻→π⁺π⁻J/ψ和π⁺π⁻h꜀两个过程中发现存在新的向量粒子：Y（4220）、Y（4320）和Y（4390）。对比已知的粒子，这三个粒子的质量和宽度和它们都不相同。发现的矢量态粒子已经多于理论预期的常规粒子的个数，这些新粒子中是否存在夸克胶子混杂态、四夸克态、强子分子态、强子粲偶素态等奇特强子态引起了理论研究的极大关注。
2019年5月，《自然・物理》杂志发表BESⅢ实验发现正负电子对撞中兰布达超子存在横向极化，以及利用这个发现对兰布达超子衰变非对称参数和对物质、反物质不对称性来源的高灵敏度探测结果。利用13亿J/ψ事例，选出了纯度高、质量好的42万事例，通过对自旋量子纠缠的兰布达超子角分布的分析，发现由此产生的兰布达超子存在高达25%的横向极化。这种效应使得首次在实验上同时以1.3%的高精度测量正反兰布达超子衰变的非对称参数，并使得通过重子探测宇宙中物质、反物质不对称性（CP破坏）来源的灵敏度达到3%，为世界最高灵敏度。BESⅢ的测量结果意味着过去40多年被广泛使用的兰布达超子的非对称参数被低估了17%。新的测量将纠正这一历史错误，更新《粒子数据表》中众多其他超子和粲重子非对称参数。BESⅢ实验观测到的超子横向极化，成为新的实验手段，拓展了正负电子对撞中对超子极化物理和重子衰变中CP破坏的研究。
参考资料 >
北京谱仪.北京谱仪.2026-08-17
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北京谱仪III.北京谱仪III.2026-08-18
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纪念北京谱仪实验30年.微信公众平台 中国科学院高能物理研究所.2026-08-18
核心性能跨越式升级 北京正负电子对撞机运行取得新进展.百家号 央视新闻.2026-08-18